KR20030062899A - 압전 바이몰프 마이크로폰 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 바이몰프 마이크로폰 및 그 제작방법에 관한 것으로서 특히, 파릴렌-D 다이아프램 위에서, 서로 반대방향의 c-축을 갖는 두 산화아연(ZnO)과 함께 제작되는 압전 바이몰프 마이크로폰 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 기판의 양면에 SiN 박막을 증착하는 제 1단계(S1)와; 상기 기판의 전면에 Al 층을 증착하는 제 2단계(S2)와; 상기 Al 층 위에 압전 ZnO를 증착하는 제 3단계(S3)와; 상기 ZnO 위에 파릴렌-D 박막을 증착하는 제 4단계(S4)와; 상기 기판 후면의 SiN 박막을 패터닝 후에 에칭하는 제 5단계(S5)와; 상기 제 5단계(S5)에 의하여 후면에 드러난 Al 층 위에 ZnO 박막을 증착하는 제 6단계(S6)와; 바이몰프 구조 및 후면전극을 제작하는 제 7단계(S7)와; 전면전극을 제작하는 제 8단계(S8)로 구성되어, 전극을 직렬로 연결하였을 경우에 감도가 크게 향상되고, 전체적으로 보다 낮은 온도에서 제작이 가능하도록 하는 것이다.

Description

압전 바이몰프 마이크로폰 및 그 제작방법 {Manufacturing method and piezoelectric bimorph microphone}

본 발명은 압전 바이몰프 마이크로폰 및 그 제작방법에 관한 것으로서 특히, 파릴렌-D 다이아프램 위에서, 서로 반대방향의 c-축을 갖는 두 산화아연(ZnO)과 함께 제작되는 압전 바이몰프 마이크로폰 및 그 제작방법에 관한 것이다. 제작된 마이크로폰의 최대 감도는 적정 직렬 연결 하에서 대략 74.22 μV/μbar로서, 이는 개별 전극을 이용하였을 경우의 대략 두 배에 이른다. 상기와 같은 압전 바이몰프 마이크로폰은 첫번째 낮은 스트레스를 받는 SiN의 증착을 제외하고는 250 ℃ 이하의 낮은 온도에서 제작이 가능하므로 매우 장점이 크다.

실리콘 마이크로 가공기술은 기술적인 측면 뿐 아니라 경제적 측면에서도 장점이 크다. 이는 통상의 트랜스듀서를 소형화시킬 수 있고, 낮은 무게, 높은 성능 뿐 아니라 신호의 조건에 따라 동일 기판의 회로로 제작될 수 있다. 마이크로 가공된 트랜스듀서는 실리콘 일괄 제작의 결과로 낮은 비용으로 실현이 가능하게 되었다.

마이크로 가공기술의 출현으로 인해 어쿠스틱 트랜스듀서는 청각 보조 시스템에 이용되거나, 또한, 현재의 크고 전력을 많이 소모하는 트랜스듀서를 마이크로 가공된 것으로 대체할 수 있는 것으로서 연구가 이루어져왔다.

최초의 실리콘 마이크로 가공된 마이크로폰은 1983년(Royer 등이 연구)에 등장했는데, 이는 압전(piezoelectric) 원리에 근거한 것이며, 0.25 mV/Pa.의 감도를 보였다. 그 이후로, 캐패시티브(capacitive) 타입과 압전 타입에 기초한 두 가지의 마이크로폰 구조가 주로 연구되어왔다.

캐패시티브 마이크로폰의 주요 장점은 압전 마이크로폰보다 높은 감도를 가지며, 수백 마이크로미터 정도의 크기로 소형화 될 수 있는 가능성이 있다는 것이다. 초기의 마이크로 가공된 캐패시티브 마이크로폰의 하나는 0.8 ×0.8 ㎟ 크기의 다아이프램(diaphragm)으로 제작되었는데, 이는 개방회로에서 4.3 mV/Pa (Holm 등이 연구, 1989)의 감도를 보였다. 그 이후의 연구는 개방회로 감도가 각각 10 mV/Pa와 3 mV/Pa인, 실리콘 콘덴서 마이크로폰(Scheeper 등이 연구)과 부동전극 일렉트렛 마이크로폰(Zou 등이 연구)에 이른다.

그러나, 캐패시티브 마이크로폰의 주요 단점은 높은 감도를 얻기 위해서는 높은 전기장이 가해져야 한다는 것이다. 더욱이, 상기 캐패시티브 마이크로폰은 공기 간극을 필요로 하며, 따라서 제작 단계가 보다 복잡하다. 또한, 두 전극간의 정전기력이 움직이는 다아이프램을 밀게되고, 이는 백 플레이트에 영구적 손상을 가져온다(간극이 원래의 간극에 1/3으로 줄었을 때). 따라서, 동적 변위량이 한정되는 것이다.

반면, 다아이프램 위에 제작된 압전 마이크로폰은 동적 변위량에 제한이 없고, 분극 전압도 필요 없다. 그러나 개방전류 감도는 상기 캐패시티브 마이크로폰보다는 상대적으로 작다. 압전 마이크로폰의 최대 감도는 대략 100 μV/bar (Ried 등이 연구, 1993)로 실현되었지만, 이는 기대치보다는 다소 작은 값이다.

상기와 같은 낮은 감도는 다아이프램에 발생하는 잔여 스트레스에 의한 것으로 생각된다. 결과적으로 다아이프램의 잔여 스트레스의 해소가 고감도 마이크로폰을 만드는데 중요한 요인이다.

낮은 잔여 스트레스와 잘 휘지 않는 특성을 가지고 있는 파릴렌(Parylene)이 마이크로 스피커의 압전 트랜스듀서의 다아이프램으로 사용된 적이 있다(Han과 Kim에 의하여, 2000). 파릴렌 막과 함께 압전 바이몰프(bimorph) 트랜스듀서가 처음으로 보고된 적이 있고(Niu와 Kim에 의하여, 2001) 그 마이크로폰의 감도는 대략 53 μV/μbar 정도이다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하고 개량하기 위한 것으로, 전극을 적절하게 직렬연결 하였을 때 그 감도가 급격히 향상되고, 낮은 온도에서 제작이 가능하며, 열에 의한 스트레스의 변화를 방지할 수 있는 압전 바이몰프 마이크로폰 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은 기판의 양면에 SiN 박막을 증착하는 제 1단계와; 상기 기판의 전면에 Al 층을 증착하는 제 2단계와; 상기 Al 층 위에 압전 ZnO를 증착하는 제 3단계와; 상기 ZnO 위에 파릴렌-D 박막을 증착하는 제 4단계와; 상기 기판 후면의 SiN 박막을 패터닝 후에 에칭하는 제 5단계와; 상기 제 5단계에 의하여 후면에 드러난 Al 층 위에 ZnO 박막을 증착하는 제 6단계와; 바이몰프 구조 및 후면전극을 제작하는 제 7단계와; 전면전극을 제작하는 제 8단계로 구성함으로써 달성된다.

도 1은 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 제조방법을 나타내는 순서도,

도 2 내지 도 4는 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 각 제작단계에서의

단면도,

도 5 내지 도 7은 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 작동원리를

나타내는 도,

도 8은 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 전극의 직렬연결이 없을 때의

감도를 나타내는 그래프,

도 9는 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 전극의 직렬연결이 있을 때의

감도를 나타내는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판 20 : SiN 박막

30a, 30b, 30c : Al 박막 40 : ZnO 박막

50a, 50b, 50c, 50d : 파릴렌-D 박막

60 : 다이아프램

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 각 제작단계에서의 단면도로서, 본 발명은 표준 3인치 실리콘 웨이퍼(100 평면) 기판(10) 위에 제작되며, 그 제작 단계는 다음과 같다.

도 2에서 도시하는 바와 같이, 먼저, 실리콘 기판(10)의 양면에 낮은 스트레스를 갖는 SiN 박막(20)을 증착(S1)시킨 후에, 전면에 0.2 ㎛의 두꺼운 알루미늄(Al: 30a)층을 증착한다(S2).

그리고 0.4 ㎛의 두꺼운 압전 ZnO 박막(40)을 상기 Al 층(30a) 위에 250 ℃ 에서 RF 마그네트론 스퍼터링 시스템에서 10 mtorr 상태에서 증착한다(S3).

상기 SiN 박막(20)의 역할은 실리콘을 수산화칼륨(KOH)으로 에칭하는 동안에 에칭이 되지 않도록 하는 역할을 하며, 그 후의 과정에서는 제거된다.

ZnO 박막(40)이 증착된 후에는 바이몰프 다아이프램(60: 도 4 참고)을 위한 층을 지탱하기 위하여 1.6 ㎛ 두께의 파릴렌-D 박막(50a)을 파릴렌 증착 시스템에 의하여 증착한다(S4).

그 후에는 다아이프램(60)의 스트레스를 해소시키기 위하여 실리콘 기판(10)을 수산화칼륨 용액에서 에칭한 후에, 후면의 SiN 박막(20)을 패터닝하고 RIE 시스템에서 에칭하고(S5), 따라서 바이몰프 구조의 스트레스가 없는 층인 Al 박막(30a)은 드러나게 된다. 이 과정에서 전면의 박막들을 보호하기 위하여 기계적 지그(jig)들과 PDMS(Poly Di Methyle Siloxane)이 사용되고, 수산화칼륨 용액은 IR 램프로 가열한다.

다음에, 반대 c-축 방향의 바이몰프 구조를 만들기 위하여, 두번째 0.4 ㎛ 두께의 ZnO 박막(40)을 상기 드러난 Al 박막(30a) 위에 (후면으로부터) 증착시킨다(S6).

이후에는 하기와 같은 바이몰프 구조 및 후면전극을 제작하는 단계(S7)가 수행된다.

상기 ZnO 박막(40)과 후면전극을 절연시키기 위하여 0.2 ㎛ 두께의 파릴렌-D 박막(50b)을 실리콘 웨이퍼(10)의 후면으로부터 증착한다(S7-1).

그후, 0.3 ㎛의 Al 박막(30b)을 후면의 파릴렌-D 박막(50b) 위에 쌓은 후에(S7-2), 다아이프램(60)을 지탱하기 위하여 후면에 1.6 ㎛ 두께의 파릴렌-D 박막(50c)을 한번 더 증착(S7-3)하면, 도 3과 같은 상태에 이르게 된다.

두번째(후면의) ZnO 박막(40)을 적층하는 동안에, 전면의 두꺼운 파릴렌-D 박막(50a)은 대략 250 ℃ 정도의 높은 온도에 있게되고, 따라서 그 성질의 변화가 있을 수 있다. 실제로, 파릴렌-D 박막(50a)의 잔여 스트레스는 ZnO 적층 시스템의 열적 효과로 인해 20 MPa 에서 50 MPa로 변화되게 된다.

따라서 전면의 파릴렌-D 박막(50a)은 산소 플라즈마 상태에서 20분 동안 놓여지게 된다. 이후, 전면전극을 제작하는 단계(S8)가 수행된다.

즉, 전면의 ZnO(40)/Al(30b) 박막은 각 에칭액에 의하여 연속적으로 에칭되어 패터닝된다(S8-1).

최상층 전극(30c)의 증착 이전에, 0.2 ㎛ 두께의 파릴렌-D 박막(50d)이 전면에 증착되고 콘택트 홀로 패터닝된다(S8-2).

파릴렌-D 박막(50d)의 부착성이 문제되기 때문에, 콘택트 패드 아래에 있는 상기 파릴렌-D는 프로브 팁과 Al 층 사이의 좋은 콘택트를 확보하기 위하여 제거(S8-3)된다.

콘택트 홀의 파릴렌-D가 제거된 후에는, 0.3 ㎛ 두께의 Al 박막(30c)이 증착되고 패터닝(S8-4)된다. 전면 전극이 완성된 후에는, Al 박막(30c)은 다음과 같은 특별한 에칭액에 의하여 에칭(S8-5)되는데, 이는 ZnO 박막에는 영향을 미치지 않는다.

KOH : K₃Fe(CN)₆: DI water = 1 g : 10 g : 100 ml

전면 전극의 포토레지스트가 제거된 후에, 실리콘 웨이퍼(10)는 아세톤, 메탄올, 그리고 DI water(탈 이온수)에 연속적으로 세척된다. 그런 후에 상기 웨이퍼(10)는 테스트를 위하여 절단되는 것이다.

본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰은 Al/파릴렌-D(0.2㎛)/ZnO/Al/ZnO/파릴렌-D(0.2㎛)/Al/파릴렌-D 다아이프램(1.6㎛)의 구조를 가진다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 작동원리를 나타내는 도이고, 도 8은 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 전극의 직렬연결이 없을 때의 감도를 나타내는 그래프이며, 도 9는 본 발명의 압전 바이몰프 마이크로폰의 전극의 직렬연결이 있을 때의 감도를 나타내는 그래프로서, 이하, 상기 도 1 내지 도 9를 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

바이몰프 마이크로폰의 작동원리는 등가회로에 의하여 도 5에 도식적으로 도시되어있다. 두 압전 ZnO 박막(40: 서로 반대방향의 c-축을 갖는)들은 부동 Al 평면에 증착된다. 어쿠스틱 압력이 가해지지 않은 경우에는 상측과 하측 전극의 사이에는 어떤 장도 유도되지 않는다.

그러나, 어쿠스틱 압력이 마이크로폰에 인가된 경우에는, 다아이프램에 기계적 스트레인이 발생된다. 이 스트레인은 세그먼트 전극의 위치에 크게 의존하는 분극장 (polarization field)을 발생시킨다.

압축성 스트레스가 위쪽 분극장을 발생시킨다고 가정한다면, 전체 다아이프램 구역의 상기 분극장은, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 인가 압력을 받는 경우가 된다.

그러면, 적당한 전극의 직렬연결이 이루어진 경우에 그 등가회로는 도 7과 같다. 그러나, 부동 중간 전극이 제작된 바이몰프 마이크로폰의 상측면의 세그먼트 전극에 공통적으로 연결되어 있기 때문에, 등가회로는 정확히 제작된 마이크로폰을 나타내지는 않는다.

실제 전극의 직렬연결을 실현하고 마이크로폰의 감도를 향상시키기 위해서는 상기 부동 중앙 전극이 패터닝되어야 한다. 그러면 바닥 전극은 공통 그라운드로 사용될 수 있고 또한, 전자기 간섭의 차폐면으로 작용할 수 있다.

제작된 마이크로폰의 감도는 전극 세그먼트의 위치에 따라 독특한 값을 갖는다. 도 8은 전극 세그먼트의 위치에 따른 각각의 압전 바이몰프 마이크로폰의 최대 감도를 나타낸다.

디바이스 #10_3과 #11_4는 도 1의 단계로 제작된 것이며, 5.39 μV/μbar 내지 59.53 μV/μbar의 감도를 보인다.

상기와 같은 디바이스의 각 세그먼트의 감도는 작으나, 각 전극을 적당하게 직렬로 연결한 경우에는, 그 연결된 마이크로폰의 감도는 도 9에서 보는 바와 같이, 급격하게 증가하였다. 1000 Hz에서의 최고 감도는 14.06 μV/μbar (#11_4) 74.22 μV/μbar (#10_3) 이다.

바이몰프 구조에서 각 박막의 동일한 기계적 성질에 근거하여, 최상위 및 최하위 층은 좋은 감도를 얻기 위해서 대칭적으로 쌓여져야 한다.

각 전극 세그먼트의 감도는 각 주파수에서 독특한 값을 나타낸다. 전극을 직렬로 적당히 연결하면, 마이크로폰의 감도는 종래의 Niu와 Kim의 방법으로 제작된 경우에는 그 최고값보다 다소 증가하나, #10_3 디바이스의 경우에는 그 최고값보다 두 배 이상 증가한다.

그러나, Niu와 Kim의 방법으로 제작된 디바이스의 경우에는, 중심부와 오른쪽으로 직렬연결 하였는데, 이러한 경우에는 감도가 오히려 감소하였다. 따라서,감도의 향상은 큰 스트레인을 받고 있는 다아이프램 지역 내의 적당한 전극을 선택하는데 크게 의존한다는 것을 알 수 있다.

도 9에서 보듯이, 감도는 두 신호 전극간의 거리가 증가할 수록 증가한다. 각 세그먼트 전극에서의 스트레인에 의해 발생하는 감도는 직렬 전극 연결과 함께 높은 감도를 발생시키도록 서로 증가시킨다.

이상과 같은 본 발명은 최대 감도가 적정 직렬 연결 하에서 대략 74.22 μV/μbar로서, 이는 개별 전극을 이용하였을 경우의 대략 두 배에 이른다. 또한 본 발명은 첫번째 낮은 스트레스를 받는 SiN의 증착을 제외하고는 250 ℃ 이하의 낮은 온도에서 제작이 가능한 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 기판의 양면에 SiN 박막을 증착하는 제 1단계와;

   상기 기판의 전면에 Al 층을 증착하는 제 2단계와;

   상기 Al 층 위에 압전 ZnO를 증착하는 제 3단계와;

   상기 ZnO 위에 파릴렌-D 박막을 증착하는 제 4단계와;

   상기 기판 후면의 SiN 박막을 패터닝 후에 에칭하는 제 5단계와;

   상기 제 5단계에 의하여 후면에 드러난 Al 층 위에 ZnO 박막을 증착하는 제 6단계와;

   바이몰프 구조 및 후면전극을 제작하는 제 7단계와;

   전면전극을 제작하는 제 8단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 바이몰프 마이크로폰의 제작방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 7단계는,

   상기 ZnO 박막과 후면전극을 절연시키기 위하여 파릴렌-D 박막을 상기 기판의 후면에 증착하는 제 7-1단계와;

   상기 파릴렌-D 박막 위에 Al 박막을 증착하는 제 7-2단계와;

   상기 Al 박막 위에 파릴렌-D 박막을 한번 더 증착하는 제 7-3단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 바이몰프 마이크로폰의 제작방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 8단계는,

   상기 전면의 Al 박막과 ZnO를 연속적으로 에칭하여 패터닝하는 제 8-1단계와;

   상기 전면에 파릴렌-D를 증착한 후 콘택트 홀로 패터닝하는 제 8-2단계와;

   상기 콘택트 홀로 패터닝하는 경우에 콘택트 패드 아래에 있는 파릴렌-D를 제거하는 제 8-3단계와;

   상기 파릴렌-D가 제거된 면에 Al 박막을 증착하고 패터닝하는 제 8-4단계와;

   상기 Al 박막을 에칭하는 제 8-5단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 바이몰프 마이크로폰의 제작방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제 8-5단계는,

   KOH : K₃Fe(CN)₆: DI water = 1 g : 10 g : 100 ml

   로 구성되는 에칭액으로 에칭함을 특징으로 하는 압전 바이몰프 마이크로폰의 제작방법.
5. 제 1항 내지 4항 중, 어느 한 항의 방법으로 제작되는 압전 바이몰프 마이크로폰.